TRANSCOMP INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Mirosław LUFT 1 Paweł OLSZOWIEC 2 silnik spalinowy, turbogenerator, rekuperacja energii, sprawność STRATY SILNIKA SPALINOWEGO SZANSĄ NA REKUPERACJĘ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Artykuł przedstawia analizę metod pozyskiwania energii elektrycznej ze strat pracy silnika spalinowego cieplnego. W materiale ponadto przedstawiono struktury zarządzania energią elektryczną na pokładzie współczesnego pojazdu samochodowego oraz zaproponowano koncepcję dyspozycji i nadzoru energii elektrycznej pochodzącej z turbogeneratora zlokalizowanego w układzie wydechowym silnika tłokowego. ENERGY LOSSES COMBUSTION ENGINE A CHANCE TO ENERGY RECUPERATION This paper presents an analysis of methods of obtaining energy from the combustion engine operating loss of heat. The material also presents management structure of the electricity on board the modern motor vehicle, and proposed the concept of disposal and monitoring of electricity from the turbo-generator located in the piston engine exhaust system. 1. WPROWADZENIE Na przestrzeni ostatnich lat zauwaŝyć moŝna, iŝ tempo rozwoju silników spalinowych oraz postępu w optymalizacji procesu spalania medium zasilającego jednostki tłokowej nie idzie w parze z dynamicznym wzrostem zapotrzebowania pojazdu na energię elektryczną. Mimo wprowadzenia do produkcji seryjnej wielu przełomowych dla motoryzacji rozwiązań takich jak zastosowanie wielosekwencyjnego bezpośredniego wtrysku paliwa zarówno dla silnika wysokopręŝnego jak o zapłonie iskrowym czy teŝ całej gamy proekologicznych rozwiązań ograniczających emisję substancji szkodliwych sprawność jednostki cieplnej nie uległa w ostatniej dekadzie znaczącej poprawie. Nowoczesna turbo doładowana jednostka wysokopręŝna wykorzystująca wysokociśnieniowy układ wtryskowy popularnie zwany systemem Common Rail reprezentuje sprawność na poziomie 0,4 0,45 (rys.1). Na wynik ten składają się 1 Kazimierz Pułaski Technical University of Radom, Faculty of Transport and Electrical Engineering, Radom, Malczewskiego 29, POLAND, phone: , e mail: m.luft@pr.radom.pl 2 Kazimierz Puławski Technical University of Radom, Faculty of Transport and Electrical Engineering, Radom, Malczewskiego 29, POLAND, phone: , p.olszowiec@pr.radom.pl

2 2292 Mirosław LUFT, Paweł OLSZOWIEC modernizacje będące efektem 20 lat ulepszania i poprawiania jednostki przez wszystkie liczące się na rynku motoryzacyjnym koncerny. Rys.1 Wykres bilansu energetycznego silnika spalinowego [5] Genezę wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną na pokładzie pojazdu samochodowego obserwujemy w ciągłym przyroście ilości urządzeń elektronicznych będących częścią składową nie tylko wyposaŝenia mającego na celu podnieść komfort eksploatacji pojazdu, lecz takŝe instrumentów zapewniających bezpieczeństwo czynne i bierne samochodu (rys.2). W drodze do wzrostu poziomu ekologicznego współczesnych pojazdów wiele firm motoryzacyjnych powierzyło układy dotychczas mechaniczne systemom elektronicznym wpisując się w ideologię technologii By-Wire. Przykładem takich systemów jest popularnie stosowany układ Steer by wire czy Breake by wire. Są to systemy elektrycznego wspomagania układu kierowniczego oraz chociaŝby częściowego zastępowania połączenia hydraulicznego układu hamulcowego elektrycznymi silnikami krokowymi hamulca postojowego. Ponadto coraz częściej spotkać moŝna pojazdy w których funkcjonują elektryczne pompy płynu chłodniczego, elektryczne układy klimatyzacji czy teŝ elektroniczne termostaty czynnie regulujące temperaturę pracy silnika.

3 STRATY SILNIKA SPALINOWEGO SZANSĄ NA REKUPERACJĘ VW Passat Pojemność silnika Moc silnika Kod silnika Rok produkcji Prąd alternatora Moc Alternatora 1.9D TDI TDI TDI TDI 130 1Y Z AHU AVB AWX A 630 W 70 A 980W 120 A 1680W 120 A 1680W 150 A 2100W 2.0 TDI 170 CBBB A 2500W Rys. 2 Geneza wzrostu zapotrzebowania na energie elektryczną pojazdu [8] Rozwiązania takie umoŝliwiają kontrole nad pracą oraz zarządzaniem powyŝszymi elementami. JednakŜe wzrost ilości urządzeń zasilanych energią elektryczną przekłada się na moc źródła energii, co bezpośrednio przekłada się na stopień obciąŝenia jednostki cieplnej. Na rynku występują juŝ pojazdy klasy Premium których zapotrzebowanie na energię elektryczną sięga 15 kw. Rys.3 Przyrost mocy alternatora na przestrzeni 20 lat [4] Przewiduje się, iŝ w najbliŝszej przyszłości samochody klasy średniej będą musiały być wyposaŝone w alternator o mocy około 4,5 kw (rys.3). Bezpośrednim następstwem tak

4 2294 Mirosław LUFT, Paweł OLSZOWIEC duŝych mocy będzie przejście dla elementów permanentnych pojazdu na napięcie 42V w celu zmniejszenia przekroju przewodów oraz masy pojazdu. 2. ZARZĄDZANIE ENERGIĄ Nowoczesne pojazdy wymagają coraz bardziej niezawodnych i inteligentnych układów zasilania w energię elektryczną. JuŜ dziś takie marki jak Mercedes Benz czy grupa VW proponują do swoich pojazdów kontrolery zarządzania energią by racjonalnie i ekonomicznie dystrybuować wytworzoną przez alternator moc do poszczególnych odbiorników. Przykładem takiego sterownika jest kontroler J519 (rys.4) stosowany przez grupę VW od 2004 roku. Rys.4 Lokalizacja sterownika J519 w pojazdach VW [7] Urządzenie ściśle współpracuje z magistrala CAN oraz LIN przez co posiada uprawnienia do nadzoru nad akumulatorem czyli stanu jego naładowania oraz określenie jego ogólnego stanu technicznego. Sterownik koordynuje takŝe prace alternatora poprzez zarządzanie obrotami silnika spalinowego oraz dopasowanie czasu zwiększenia obciąŝenia silnika przez alternator. Kontroler bierze takŝe czynny udział w nadzorowaniu jakości energii elektrycznej poprzez kontrolę na regulatorem napięcia eliminując w ten sposób skoki napięcia w instalacji elektrycznej. Ponadto sterownik ma uprawnienia do nadzoru nad funkcjonowaniem poszczególnych odbiorników, a wiec wyłączaniem wszelkich zbędnych gałęzi układu po wyłączeniu zasilania oraz redukcję zakresu pracy odbiorników w czasie zasilania. Podobnie teŝ funkcjonuje sterownik EBM ( Electronic Battery Management ) stosowany przez koncern Mercedes - Benz zarządzający układem elektrycznym w skład którego wchodzi dwa akumulatory. W opisywanym układzie druga bateria zastosowana jest przede wszystkim z powodów bezpieczeństwa. Zapewnia zasilanie układom mającym wpływ na bezpieczeństwo, do których naleŝy elektrohydrauliczny układ hamulcowy SBC. W chwili gdy układ potrzebuje dodatkowej energii sumuje oba źródła by ustabilizować napięcie w instalacji elektrycznej. Kolejnym krokiem do stabilizacji układu zasilania jest przesyłanie przez układ EBM wykorzystując magistralę danych CAN typu B ( CAN komfort) informacji o redukcji obciąŝenia poprzez wyłączenie lub zmniejszenie poboru prądu przez poszczególne odbiorniki komfortu np. redukcje obrotów dmuchawy nawiewu.

5 STRATY SILNIKA SPALINOWEGO SZANSĄ NA REKUPERACJĘ System EBM posiada takŝe komunikacje z przekaźnikiem K1.31 umoŝliwiającym odłączenie odbiorników nie będących uzaleŝnionych od magistrali danych takich jak np. gniazdo zapalniczki (rys.5). Rys.5 Schemat układu EBM [8] A10.1 sterownik EBM, G1.6 akumulator główny, G1.7 akumulator pomocniczy Systemy zarządzania energii w pojazdach samochodowych stają się na tyle istotnymi elementami współczesnego auta, Ŝe np. w pojeździe marki Audi A6 model C6 w którym zastosowano system EBM 3.1 testerem diagnostycznym prócz wartości rzeczywistych oraz pamięci błędów systemu odczytać moŝna numer seryjny akumulatora, jego nominalne parametry oraz producenta. 3. METODY ODZYSKU ENERGII BMW TURBOSTEAMER -To wysoce skomplikowany oraz kosztowny układ oparty na zasadzie działania silnika parowego wykorzystany do podniesienia sprawności klasycznej jednostki spalinowej. W skład systemu wchodzą trzy obiegi z cieczą, dwa wymienniki ciepła oraz element ekspansyjny. Konstruktorzy marki BMW zapewniają, iŝ powyŝszy system jest wstanie odzyskać 80% bezpowrotnie dotychczas traconej energii w układzie wylotowym. Wykorzystano w tym celu układ wypełniony wodą, który poprzez wymiennik ogrzewa ją do C, a następnie z postaci parowej przetwarzana jest na energię mechaniczną przekazywaną na wał korbowy. Drugi obieg to układ niskotemperaturowy w którym medium jest etanol odbierający ciepło z układu chłodzenia oraz końca układy wylotowego silnika pracując na średniej temperaturze rzędu C. Pozyskana w ten sposób energia zostaje na podobieństwo pierwszego układu przeniesiona na wał korbowy jednostki spalinowej TURBO-GENERATOR INTEGRATED GAS ENERGY RECOVERY System to kolejna koncepcja rekuperacji energii z silnika spalinowego która powstała w 2005 roku

6 2296 Mirosław LUFT, Paweł OLSZOWIEC przy współpracy firmy Visteon UK oraz University of Sheffield. Ideą projektu jest uzyskanie energii elektrycznej przy wykorzystaniu jednej z największych strat silnika spalinowego czyli gazów spalinowych. Energia kinetyczna przepływających spalin w układzie spalinowym wykorzystywana jest do napędu turbo generatora zlokalizowanego w układzie wydechowym silnika spalinowego. Wysoko obrotowy generator ma za zadanie wspomóc pracę alternatora oraz poprawić bilans energetyczny układu zasilania (rys.6). Prawidłowo skonstruowany układ wylotowy pozwala na optymalne wykorzystanie energii spalin do napędu turbiny spalinowej. Rys.6 Schemat układu rekuperacji TIGERS [11] Według zapewnień konstruktorów turbogenerator współpracujący z silnikiem o zapłonie ZI o pojemności 2000 dm 3 jest wstanie wygenerować maksymalnie nawet 6kW. Pozwala to w dalszej perspektywie badań postawić tezę zastąpienia dotychczasowego źródła energii elektrycznej pojazdu na turbo generator. Firma Visteon przygotowała takŝe propozycję budowy układu zasilania opartego na urządzeniu TIGERS dla napięcia 340V. Rozwiązanie takie mogło by znaleźć zastosowanie w pojazdach hybrydowych jako element poprawiający bilans energii elektrycznej współpracujący z urządzeniami rekuperującymi energie z siły kinetycznej. Problemami konstrukcyjnymi zastosowania turbo generatora w układzie wylotowym jest zagadnienie chłodzenia oraz smarowania elementu obrotowego. TURBOCOMPOUND to układ zbudowany z turbiny i spręŝarki. Przy niskich prędkościach obrotowych wału korbowego silnika ciśnienie gazów spalinowych nie jest na tyle wysokie, by pokonać opór zespołu turbospręŝarki, co zdecydowanie pogarsza wymianę ładunków i zwiększa zuŝycie paliwa. Aby uniknąć tego niekorzystnego zjawiska, układ wylotowy uzbraja się w zawór, który w tych niekorzystnych warunkach nie kieruje spalin do turbiny, ale bezpośrednio do tłumików i do otoczenia. Przy wyŝszych prędkościach obrotowych silnika, wtedy gdy parametry spalin są odpowiednie, wszystko przebiega tradycyjnie tzn. spaliny są kierowane do turbiny. W układ wydechowy silnika za tradycyjną turbospręŝarką wbudowana jest turbina, która poprzez przekładnie i sprzęgło hydrokinetyczne przekazuje moment obrotowy na wał korbowy. Przekazanie energii po przez sprzęgło jest konieczne w celu kompensacji róŝnicy prędkości obrotowych koła zamachowego i turbiny, która dochodzi do 55 tyś. obr/min. Zastosowanie powyŝszego układu przekłada się na relatywne korzyści które przedstawia porównanie dwóch jednostek ze stajni Scanii. Dwunastolitrowy, sześciocylindrowy silnik Scanii DT-12 wyposaŝony w Turbocompound ma moc 470 i moment obrotowy 2200 Nm, a jego parametry są zbliŝone do 16-litrowego, 8-cylindrowego silnika. Dla porównania, bazowa wersja jednostki DT-12, DC-12 generuje 420 i 2000 Nm. Ewolucją projektu compound jest

7 STRATY SILNIKA SPALINOWEGO SZANSĄ NA REKUPERACJĘ urządzenie opatentowane przez firmę Caterpillar która opracowała prototypowy układ elektrycznego turbo wspomagania nazywany ETC (Electric Turbocompound Caterpillar). W skład urządzenia wchodzą spręŝarka, turbina oraz wysoko obrotowy generator prądu elektrycznego. Takie połączenie komponentów eliminuje mechaniczne połączenie z wałem korbowym silnika. Wykorzystanie generatora pozwala poprawić wydajność turbospręŝarki w zakresie niskich prędkości obrotowych. W chwili gdy ciśnienie gazów spalinowych jest zbyt niskie generator pracuje jako silnik elektryczny napędzając spręŝarkę. Sposób ten pozwalana na wyeliminowanie efektu turbo dziury, a silnik rozwija moc w sposób bardziej płynny. 4. TURBOGENERATOR Znając źródło największych strat silnika spalinowego większość projektów związanych z rekuperacją energii oparta jest na wykorzystaniu układu wydechowego. Takim teŝ załoŝeniem kierował się dr inŝ. Sławomir Dziubański realizując eksperymentalny projekt aplikacji wysokoobrotowego turbogenerator do układu wydechowego silnika spalinowego. Parametry znamionowe prądnicy wykorzystanej do projektu to moc 1kW, napięcie 187V trójfazowe zmienne oraz prędkość maksymalna to obr/min. Wartości jednostki spalinowej przedstawia rysunek nr.7. Rys.7 Parametry silnika tłokowego współpracującego z turbogeneratorem [4] Według licznych badań przeprowadzonych na hamowni silnikowej Wydziału Mechanicznego Politechniki Opolskiej wynika, iŝ mimo niewielkiej pojemności silnika spalinowego jest on wstanie wygenerować wystarczające ciśnienie gazów wylotowych do napędu turbogeneratora. Analiza stanu zuŝycia paliwa, przebiegu momentu obrotowego silnika, mocy jednostki oraz ciśnienia indykowanego w zestawieniu silnika cieplnego z turbogeneratorem oraz bez niego jednoznacznie wskazuje, iŝ sprawność jednostki wzrasta (rys.8).

8 2298 Mirosław LUFT, Paweł OLSZOWIEC Rys.8 Sprawność ogólna silnika spalinowego pracującego w ustalonych warunkach 3000 obr./min [5] Uzyskane w czasie badań nad turbogeneratorem wyniki określające zakres energii elektrycznej moŝliwy do uzyskania w procesie rekuperacji wskazuje na moŝliwość poprawy w znacznym stopniu bilansu energii elektrycznej na pokładzie pojazdu (rys.9). Prędkość obrotowa Przepustnica Moc Napięcie 1500 obr./min 15% 150 W 150 V 2000 obr./min 15% 300 W 250 V 2500 obr./min 25% 400 W 300 V 3500 obr./min 50% 700 W 400 V Rys.9 Parametry pracy turbogeneratora [5] Dlatego teŝ dla układu zasilania w energię elektryczną z wykorzystaniem turbogeneratora proponowane jest stworzeniu systemu zarządzania i dyspozycji energii z obu źródeł w zaleŝności od stopnia obciąŝenia jednostki, warunków eksploatacji, zapotrzebowania na energię oraz dbałości o normy ekologiczne. Sterownik miał by za zadanie poprzez komunikacje za pośrednictwem magistrali danych CAN wymieniać dane o obecnym stanie zapotrzebowania na energię, wysterować pracę jednego ze źródła energii bądź teŝ ich sumowanie oraz planowanie magazynowania odpowiedniego poziomu energii w zaleŝności od wielkości baterii. Zarządzanie źródłami odbywało by się poprzez zawór by-pass dla turbogeneratora oraz wyłącznik prądu wzbudzenia dla alternatora. Dla układu proponowany jest takŝe drugi mały akumulator pomocniczy mający za zadanie odbiór energii od turbogeneratora pełniący zarazem funkcje bezpieczeństwa w stanach deficytu energii (rys.10).

9 STRATY SILNIKA SPALINOWEGO SZANSĄ NA REKUPERACJĘ Rys.10 Schemat blokowy koncepcji układu zarządzania energią 5. WNIOSKI Przeprowadzona analiza stanu zawansowania prac nad systemami podnoszącymi sprawność jednostek cieplnych wskazuje na słuszność prowadzenia badań oraz prac w kierunku rekuperacji energii elektrycznej. Ze względów konstrukcyjnych oraz ekonomicznych celowym wydaje się takŝe ukierunkowanie badań na rozwój projektu wysokoobrotowego turbogeneratora wykorzystującego kinetyczna energię przepływu spalin. 6. LITERATURA [1] Kozaczewski W.: Konstrukcja grupy tłokowo cylindrowej silników spalinowych. WKiŁ 2010, [2] Kowalewicz A.: Doładowanie samochodowych silników spalinowych, Politechnika Radomska 1998, [3] Postrzednik S., śmudka Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych, Gliwice 2007, [4] Dziubański S., Jantos J., Mamala J.: Wykorzystanie energii spalin do napędu turbogeneratora w silniku ZI, Czasopismo Techniczne Politechnika Krakowska 2008, [5] Dziubański S.: Poprawa bilansu energetycznego w silniku spalinowym przez zastosowanie turbogeneratora, Politechnika Opolska 2011 [6] Teodorczyk A., Rychter T.: Teoria silników tłokowych, WKiŁ 2006 [7] Pochopień J.: Kwartalnik Autospec Bosch, Warszawa 2/2008 [8] Platforma informacyjna ESItronic firmy Bosch aktualizacja 2/2011 [9] [10] [11]